建筑鋼結構耐火設計方法

任立鵬

摘要：防止鋼結構在火災中迅速升溫并發(fā)生形變塌落的措施有多種，關鍵是要根據(jù)不同情況采取不同方法。使鋼結構材料在實際應用中克服防火方面的不足，必須進行防火處理，其目的就是將鋼結構的耐火極限提高到設計規(guī)范規(guī)定的極限范圍。介紹了幾種不同鋼結構的防火保護措施，為鋼結構設計的完整性提供了參考。

關鍵詞：建筑;鋼結構;耐火設計;荷載

前 ?言

鋼結構與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結構相比具有以下特點：（1）鋼材材質均勻，可認為為理想的彈性材料，受力狀態(tài)簡單明了;（2）鋼材的塑性和韌性好，有利用提高結構的抗震性能;（3）鋼結構強度高，自重輕，降低結構的自振周期，減小結構設計內力，降低基礎造價;（4）鋼結構制作周期短、施工速度快等。鋼結構優(yōu)點很多，但卻有一個致命的缺陷：耐火性能差。結構發(fā)生火災后在很短的時間內就能把建筑物燒毀。文中針對鋼材的抗火性能，參考了國內外的資料，總結出了鋼結構的抗火設計方法及保護方法，并給出一些建議，為鋼結構的設計提供參考。

一、鋼結構抗火的設計方法

鋼結構抗火設計的實質是：選定保護材料及所需厚度，從而使結構在火災中的溫升不超過其臨界溫度而確保耐火穩(wěn)定性，滿足承載能力的規(guī)定。在實際建筑設計中設計人員在遇到鋼結構建筑中對所設計的建筑都做出特別的要求，比如涂刷防銹涂料，防火涂料屬于油漆類?；谠囼灥臉嫾够鹪O計是一種簡單、直觀的方法。即規(guī)范要求某一類型建筑物具有一定的耐火時間，然后對結構的主要構件進行正常設計荷載下的標準試驗，測定其抗火時間。設計目標為：結構（構件）的抗火時間不小于規(guī)范規(guī)定的耐火時間。我國《現(xiàn)行建筑設計防火規(guī)范》（GBJ16—87）中關于鋼梁和鋼柱的防火措施的要求正是基于此法。該試驗方法存在很多缺陷。首先，耐火時間、耐火等級不易確定。目前建筑物趨于功能復雜，體量大型化。同一建筑物的各個組成部分功能相差非常大。其次，構件在結構中受力很難模擬，而受力的大小對構件耐火時間的影響很大。最后，構件受火在結構中產生溫度應力，而這一影響在構件試驗中也難以準確反映?？梢娫缙诘目够鹪O計方法有時失之經濟，有時又失之安全。

二、鋼結構的防火保護

除了進行基本的抗火設計我們必須考慮可行的防火保護，將兩者緊密的結合起來，鋼結構的防火保護的基本原理是采用耐火、絕熱或吸熱的材料，阻隔火焰和熱量，推遲鋼結構的升溫速率，延緩鋼結構表面到達臨界溫度的時間。主要方法有以下幾種：由于鋼結構耐火能差，在火災高溫作用下很快失效倒塌，耐火極限僅15分鐘，若采取措施，對鋼結構進行保護，使其在火災時溫度升高不超過臨界溫度，鋼結構在火災中就能保持穩(wěn)定性，對鋼結構采取的保護措施，從原理上來講，主要可劃分為兩種：截流法和疏導法。

1.截流法

截流法的原理是截斷或阻滯火災產生的熱流量向構件的傳輸，從而使構件在規(guī)定的時間內溫升不超過其臨界溫度。其作法是構件表面設置一層保護材料，火災產生的高溫首先傳給這些保護材料，再由保護材料使給構件。由于所選材料的導熱系數(shù)較小，而熱容又較大，所以能很好地阻滯熱流向構件的傳輸，從而起到保護作用。截流法又分為噴涂法、包封法、屏蔽法和水噴淋法。

1.1噴涂法。噴涂法是用噴涂機具將防火涂料直接噴在構件表面，形成保護層。鋼結構防火涂料按所使用的膠粘劑的不同可分為有機防火涂料和無機防火涂料兩類，按涂層厚度分為薄涂型和厚涂型兩類，薄涂型鋼結構涂料涂層厚度一般為2～7mm，有一定裝飾效果，高溫時涂層膨脹增厚，具有耐火隔熱作用，耐火極限可達0。5～1。5小時，這種涂料又稱綱結構膨脹防火涂料。厚涂型鋼結構防火涂料厚度一般為8～20mm，粒狀表面，密度較小，導熱系數(shù)低，耐火極限可達0。5～3。0小時，這種涂料又稱鋼結構防火隔熱涂料。

鋼結構防火涂料的防火原理有三個：一是涂層對鋼基材起屏蔽作用，使鋼結構不至于直接暴露在火焰高溫中。二是涂層吸熱后部分物質分解放出的水蒸汽或其他不燃氣體，起到消耗熱量、降低火焰溫度和燃燒速度、稀釋氧氣的作用。三是涂層本身多孔輕質和受熱后形成碳化泡沫層，阻止了熱量迅速向鋼基材傳遞，推遲了鋼基材強度的降低，從而提高了鋼結構的耐火極限。

1.2 包封法。用現(xiàn)澆混凝土作耐火保護層。所使用的材料有混凝土、輕質混凝土及加氣混凝土等。這些材料既有不燃性，又有較大的熱容量，用作耐火保護層能使構件的升溫減緩。由于混凝土的表層在火災高溫下易于剝落，可在鋼材表面加敷鋼絲網，進一步提高其耐火的性能。用砂漿或灰膠泥作耐火保護層。所使用的材料一般有砂漿、輕質巖漿、珍珠巖砂漿或灰膠泥、蛭石砂漿或石灰膠泥等。上術材料均有良好的耐火性能，其施工方法常為金屬網上涂抹上述材料。用礦物纖維。其材料有石棉、巖棉及礦渣棉等。具體施工方法是將礦物纖維與水泥混合，再用特殊噴槍與水的噴霧同時向底子噴涂，構成海綿狀的覆蓋層，然后抹平或任其呈凹凸狀。上述方式可直接噴在鋼構件上，也可以向其上的金屬網噴涂，且以后者效果較好。用輕質預制板作耐火保護層。所用材料有輕質混凝土板、泡沫混凝土板、硅酸鈣成型板及石棉成型板等等，其做法是以上述預制板包覆構件，板間連接可采用釘合及粘合。這種構造方式施工簡便而工期較短，并有利工業(yè)化。同時，承重（鋼結構）與防火（預制板）的功能劃分明確，火災后修復簡便且不影響主體結構的功能，因而具有良好的復原性。

1.3 屏蔽法。屏蔽法是把鋼結構包藏在耐火材料組成的墻體或吊頂內，在鋼梁、鋼屋架下作耐火吊頂，火災時可以使鋼梁、鋼屋架的升溫大為延緩，大大提高鋼結構的耐火能力，而且這種方法還能增加室內的美觀，但要注意吊頂?shù)慕涌p、孔洞處應嚴密，防止竄火。

2.疏導法

疏導法目前主要是充水冷卻保護這一種方法。該方法是在空心封閉截面中（主要是柱）充滿水，火災時構件把從火場中吸收的熱量傳給水，依靠水的蒸發(fā)消耗熱量或通過循環(huán)把熱量導走，構件溫度便可保持在100℃左右。從理論上講，這是鋼結構保護最有效的方法。該系統(tǒng)工作時，構件相當于盛滿水被加熱的容器，象燒水鍋一樣工作。只要補充水源，維持足夠水位，而水的比熱和氣化熱又較大，構件吸收的熱量將源源不斷地被耗掉或導走。

三、結束語

現(xiàn)行的抗火設計方法是基于計算的構件設計方法，缺乏基于計算的結構抗火設計。改方法以防止整體結構倒塌為目標時，基于整體結構的承載能力極限狀態(tài)進行抗火設計。即將結構的主要功能作為整體承受荷載，火災下結構單個構件的破壞，并不一定意味著整體結構的破壞，特別是對于鋼結構，一般情況下結構局部少數(shù)構件發(fā)生破壞，將引起結構內力重分布，結構仍具有一定繼續(xù)承載的能力。

參考文獻：

[1]李國強.鋼結構及鋼—混凝土組合結構抗火設計 [M].中國建筑工業(yè)出版社，2006.137-140

[2]鄭玉海等.中國消防手冊第三卷.消防規(guī)劃·公共消防設施·建筑防火設計.[S]上?？茖W技術出版社，2006.88-91